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关于电动车充电速度的斗争何时可以解脱?

车辙
2020-08-11 · 18:01
[ 亿欧导读 ] 关于电动车充电速度的斗争已经持续了100多年......
新能源汽车充电,新能源,电动汽车,动力电池

文章来源于:车辙,原标题《关于电动车充电速度的斗争已经持续了100多年,为什么我们还没解脱?》,作者:车辙,图片来自“123RF”

【编者按】充电慢是困扰电动汽车发展的最大难题之一,到底是什么阻碍了充电技术的发展?

本文转载自车辙;由亿欧汽车整理,供业内人士参考。


每一位考虑选购电动汽车的车主,都会把充电速度放在很重要的位置。看着燃油车五分钟就加满油潇洒离去的背影,电动汽车还在原地傻傻慢充,滋味一定不好受。

这不由得让我们思考,充电慢是困扰电动汽车发展的最大难题之一,到底是什么阻碍了充电技术的发展?我们又何时能解决充电难的问题?

决定电动汽车充电速度的三个关键因素

电池充放电过程,实质是电池内部发生一系列的电化学反应,带电离子在正负极之间定向运动,实现电荷转移。为了方便理解,我们可以把带电离子想象成为一个个人,充电过程类比成用缆车将人拉到雪山顶。

滑行下山很爽,爬行上山可不易。充电速度为什么提升不上,最关键的因素得看以下三个:

电池充放电过程,实质是带电离子在正负极之间定向运动,实现电荷转移。为了方便理解,我们可以把充电过程类比成用缆车将人拉到雪山顶。

滑下来很爽,上山可不易。充电速度为什么提升不上,最关键的因素得看以下三个:

1)电池材料本身特性决定所能承受的充放电能力上限,可类比于缆车一次可以拉多少人;

2)充电设备能提供的最大充电功率,可类比于缆车功率有多大;

3)电池温度,可类比于人和缆车可以承受多快的速度上山。

其实电动汽车不是新鲜产品,在100多年前,它就由铅酸蓄电池带着跑了起来,但是续航里程只有几十公里,就需要每天进行为电池充电。续航短就算了,更要命的是充电慢,当时的电动车就深深为电动车的充电问题所苦恼。

铅酸蓄电池的充电过程,是将放电反应生成的PbSO4氧化成正极(PbO2)和还原成负极(Pb),以及分解成电解液(H2SO4)。

铅酸蓄电池在进行大电流充电时,正、负电极的电势会偏离平衡值,从而出现极化现象,增加电池的内阻,会阻碍充电反应的正常进行。这限制了铅酸蓄电池只能采用常规的小功率(0.1C)进行充电,因此铅酸蓄电池只能按部就班的慢慢充电。

为了解决铅酸蓄电池的充电慢而且续航短的烦恼,1910年,一家叫哈特福德电灯公司推出了换电服务,车主只需要每月掏租金就可以了,原来蔚来的换电池和电池租赁的商业模式在那时就有人在尝试,amazing(惊喜)。

可这些并没有完全解决问题,电动车由于高昂的电池成本,最终逃不过真香定律,逐渐被价格低廉的燃油车给取代。这一幕是不是也似曾相识?其实直到现在,换电成本依然是热议问题,虽然国家正在鼓励其发展,但由于未完全形成有规模的市场运作,各家都十分谨慎。

电池材料大突破,充电速度不再是问题

20世纪末锂电池技术在电动车上的尝试,让解决充电慢的难题看到了希望。

1997年是值得大家记住的日子,这一年,日产推出了全球第一辆使用锂离子电池的电动车PrairieJoy EV。这款车开创性的圆柱体锂电池,续航里程也达到了200公里,而且有在北极极寒地区连续在服役6年无故障的记录。

PrairieJoy EV的锂电池相比传统的铅酸蓄电池具有快速充电的能力,最大充电电流可以达到为1~1.5C,搭载的锂电池容量大概为30kwh,按电池电压300V计算,最大电流可以达到150A,理论上不到1h就可以把电池充满电。可以说正是有这款车的推动,车用锂电池的落地又向前发展了一大步。

车用锂电池技术经过20年的多元化发展,出现了磷酸铁锂、锰酸锂和三元锂材料等多种锂电池正极材料,但是出于安全性,成本,寿命和能量密度等因素综合考虑,大量电动车都选择了磷酸铁锂电池和三元锂电池这2大阵营。

从当下的充电速度看,这两种电池在快充(1.6C)及以下模式下,不会有明显的充电速度差异。只有充电电流达到10C以上时,三元锂电池才会有明显的充电速度优势。

电池恒流容量

在10C以下充电时,两者的恒流容量比无明显差距,10C以上倍率充电时,磷酸铁锂电池恒流容量比例迅速降低,充电效率迅速降低。

为了进一步提升充电速度,寻找完美的电极材料一直没有停下脚步。近些年一直有各种厉害的正极材料出现,比如2016年的时候,美国加州大学河滨分校的研究人员就开发出了新型硅阳极锂电池,这种阳极采用了石墨烯薄片+柱状碳纳米管的锥结构的架构,可以让充电速度快16倍左右。

充电设备成为新的制约关键

虽然电池技术有了不错的进步,但直到现在依然被充电慢的问题所困扰。这是因为充电速度除了与电池材料有关,还有受到了充电设备功率的制约。

一直以来电动车充电设备的发展无法满足电动车充电速度的需求,直到现在人们依然会觉得充电速度还是好慢。这大致是因为车载充电机的功率实在太小了,即使是现在主流的3.3kW充电功率,使用交流充电桩也仍然需要10个小时左右才能充满电。

特斯拉Model S的车载充电机采用了PFC+隔离DC-DC充电升压技术,将车载充电机充电功率提高了22kW,给配置的100kWh的电池充满电,最快仍要需要4-5h。

特斯拉做到如此程度,就足够羡煞旁人了。但是想要充电速度更快一些,就需要祭出快充神器-直流充电桩。

直流充电桩是非车载充电机,它可以直接输出直流电给车载电池充电,充电功率一般为30-60kW,充电功率大幅提升,充电速度更快,一般只需要1-2h就可以充满电。

直流充电桩的出现,可以极大缓解充电慢的烦恼。我们只需要车内休息片刻,就又可以整装待发了 

快充之路慢慢,唯有不停探索

直流充电桩会根据电池系统所能承受的最大充电电流,自动为动力电池匹配最高效的充电功率。为了实现超快充电,大功率的直流充电桩的技术就显得极为关键。

给用户带来便捷充电的体验和提升品牌竞争力,早在2014年特斯拉开始在中国布局超级充电桩业务了,并计划2020年在中国继续新增4000以上超级充电桩,但相比Model3今年上半年的中国销量已经突破4.5万辆,充电桩的建设速度还无法汽车的增长速度相匹配。

超级充电桩看起来是一个一劳永逸的方案,但超级充电桩的普及速度却不尽人意。

除此外,超级充电桩由于充电功率特别大,势必产生巨大的充电电流,这会带来新的问题,阻碍超级充电桩的发展。我们都知道大电流会让电池发热快速升温,可能导致电池电路短路引发自燃事故。

因为超充的一系列局限性,行业内采用了多条腿走路的方式,无线充电技术被认为是未来发展趋势之一。

例如WiTricity公司研发的电磁共振无线充电技术,在2018年宝马的530e iPerformance上,就搭载了他们的3.2kW的功率无线充电技术。

又或者国内正在投建的杭绍甬智慧高速公路,它起点是杭州绕城高速公路下沙枢纽,终点位于宁波穿山疏港高速公路柴桥枢纽,线位方案全长约161公里,可以实现全程无线充电并且是边开车边充电,比宝马这种静态充电还要高级。

无疑,这些技术都是比较好的补充,不过如果你要问何时能大面积使用,我还是不抱有太大的希望。就拿国内来说,每公里建造费用不到500万人民币,而这条无线充电公路是我国高速建造费用的10倍以上。

写在最后

面对充电速度不够快的问题,我们何时能得到解脱?情况不容乐观。据国家规划,到2020年,全国电动车保有量将超过500万台,为了满足这些纯电动车的充电需求,充换电站数量需要达到1.2万个,充电桩达到450万个。

车桩比例近1:1的口号着实响亮,但根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟统计,截至2020年5月,联盟内成员单位总计上报公共类充电桩才不过55.1万个。

所以可以预见,未来充电速度是纯电动汽车高级感的的重要评价指标,它的影响因素太多了,从电池层面到电控层面再到充电设备层面,都有直接影响。不得不感叹,用金钱换时间,这个亘古不变的道理,再次在它的身上灵验了。

本文经授权发布,版权归原作者所有;内容为作者独立观点,不代表亿欧立场。如需转载请联系原作者。

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